Introdução. Hardware (Parte II) Universidade Federal de Campina Grande Departamento de Sistemas e Computação. joseana@computacao.ufcg.edu.

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1 Universidade Federal de Campina Grande Departamento de Sistemas e Computação Introdução à Computação Hardware (Parte II) Prof. a Joseana Macêdo Fechine Régis de Araújo joseana@computacao.ufcg.edu.br Carga Horária: 60 horas

2 Componente de um sistema de computação cuja função é armazenar informações que são (ou serão) manipuladas por esse sistema, para que elas (as informações) possam ser prontamente recuperadas, (quando necessário). Conceitualmente : a memória é um depósito onde são guardados elementos (informações) para serem usadas quando desejado (recuperação). Operações em um depósito (memória): guardar um elemento (ou um grupo) recuperação de um elemento 2

3 ARMAZENAR (ESCRITA, WRITE) RECUPERAR (LEITURA, READ) A memória de um computador quando energizada, conterá sinais elétricos, mesmo que não seja uma informação útil. 3

4 Elemento a ser manipulado: bit - Armazena a informação na forma de bits Unidade de informação a ser armazenada, recuperada ou transferida (célula) - Grupo de n bits (n = 8) 1 Byte ENDEREÇO: é o código de identificação da localização das células (informações). Operações ões: ESCRITA : transferência de informações de outro componente do sistema de computação para a memória (CPU memória) LEITURA : transferência de bits da memória para a CPU, disco. 4

5 Em um sistema de computação não é possível construir e utilizar apenas um tipo de memória. Para certas atividades, por exemplo, é fundamental que a transferência de informações seja a mais rápida possível. Memória de um computador subsistema - construída de vários componentes (vários tipos diferentes de memória) interligados e integrados, com o objetivo de armazenar e recuperar informações. 5

6 Necessidade de construção de vários tipos de memória: Velocidade das UCP ( > tempo de acesso da memória) Capacidade de armazenamento. Hierarquia de Memória 6

7 Custo alto Velocidade alta Baixa capacidade Hierarquia de Memória Registradores Memória Cache Memória Principal Custo baixo Velocidade baixa Capacidade elevada Discos CD-ROM Memória Secundária 7

8 Hierarquia de Memória - Elementos Registradores Memória Cache Memória Principal Memória Secundária 8

9 Registradores Elementos superiores da pirâmide de memória, por possuírem a maior velocidade de transferência dentro do sistema (menor tempo de acesso), menor capacidade de armazenamento e maior custo. Memórias rápidas usadas em execução de instruções dentro do processador (objetivo: minimizar os acessos às memórias externas ao processador). 9

10 Registradores Parâmetros: Menor tempo de acesso, baixa capacidade (Ex.: 32 bits, 64 bits), dispositivos voláteis, memória de semicondutores, armazenamento temporário e apresenta o custo mais elevado. Exemplo: RAX EAX 10

11 Registradores - Parâmetros Tempo de acesso/ciclo de memória - 1 a 5 ns (hipotético). Capacidade - baixa - 8 a 64 bits Volatilidade - dispositivos voláteis. Tecnologia - memória de semicondutores Temporariedade - armazenamento temporário. Custo - mais elevado. Citar 1 a 5 ns neste instante pode significar um valor já desatualizado. 11

12 Memória Cache Problema de Sistemas de Computação - gargalo de congestionamento na comunicação CPU/MP. Solução: desenvolvimento de uma técnica que consiste na inclusão de um dispositivo de memória entre CPU e MP - memória CACHE. Memória Cache - função - acelerar a velocidade de transferência das informações entre CPU e MP, aumentando o desempenho dos sistemas. Usada para armazenamento de instruções e dados mais freqüentemente acessados do programa em execução. 12

13 Memória Cache Fabricada com tecnologia semelhante à da CPU (possui tempos de acesso compatíveis, resultando numa considerável redução da espera da CPU para receber dados e instruções da cache, ao contrário do que acontece em sistemas sem cache). Atualmente há diversos tipos de memória cache, utilizados em sistemas de computação modernos: Cache para a Memória Principal (RAM cache), Cache para Disco. 13

14 Memória Cache Podem ser inseridas em dois (ou três) níveis: Cache L1 (Level 1) - nível 1), Cache L2 e Cache L3. Cache L1(primária) - interna ao processador. Cache L2 (externa ou secundária) - instalada, em geral, na placa-mãe do computador. Atualmente:localizada no interior da pastilha do processador, separada deste (cache backside). Quanto mais próxima do processador, melhor será o desempenho do mesmo. Cache L3 Cache L3 - existente em poucos processadores, localizada externamente ao processador. 14

15 Memória Cache - Parâmetros Tempo de acesso/ciclo de memória - 5 a 7 ns (hipotético). Capacidade - deve-se conciliar o compromisso de uma capacidade apreciável com a não-elevação demasiada do preço. Ex.: 512 KB (cache L1) e 4 MB (cache L2). Volatilidade - dispositivos voláteis. Tecnologia - circuitos eletrônicos de alta velocidade. Em geral, são memórias RAM estáticas (SRAM). Temporariedade - armazenamento temporário. Custo - o custo de fabricação das memórias cache é alto. Memórias cache internas à CPU ainda são mais caras do que as externas. 15

16 Memória Principal A memória básica de um sistema de computação desde seus primórdios. É o dispositivo no qual o programa (e seus dados) que vai ser executado é armazenado para que a CPU vá "buscando" instrução por instrução. Uma das principais características definidas no projeto de arquitetura do sistema de Von Neumann, o qual se constitui na primeira geração dos computadores, consistia no fato de ser uma máquina "de programa armazenado". O fato de as instruções, uma após a outra, poderem ser imediatamente acessadas pela CPU é que garante o automatismo do sistema e aumenta a velocidade de execução dos programas. 16

17 Memória Principal - Parâmetros Tempo de acesso/ciclo de memória - 7 a l5 ns (hipotético). Capacidade usualmente, na ordem de até 4 GB. Volatilidade - volátil. Há normalmente uma pequena quantidade de memória não volátil fazendo parte da memória principal (BIOS). Tecnologia - em sistemas atuais esta tecnologia produz memória com elementos dinâmicos (DRAM). 17

18 Memória Principal Endereço 0 Endereço 0 Leitura/ escrita R/W RAM R/W RAM ROM ROM Endereço N-1 Endereço N-1 a) Nomenclatura correta b) Nomenclatura popular Configuração da memória principal (MP) de um microcomputador do tipo PC. 18

19 Memória Principal - Parâmetros Temporariedade - variável, depende de várias circunstâncias (p. ex.: tamanho do programa e sua duração, a quantidade de programas que estão sendo processados juntos, etc.). A transitoriedade com que as informações permanecem armazenadas na MP é, em geral, mais duradoura que na memória cache ou nos registradores. Custo - DRAM têm um custo mais baixo que o das memórias cache - são vendidos computadores com quantidade apreciável de MP (2 GB, 4 GB, 8 GB) sem que o preço seja inaceitável. 19

20 Memória Principal Quanto maior a capacidade de armazenamento (em Bytes), maior a capacidade de processamento. Uso de memória virtual Uso do HD como extensão da Memória Principal 20

21 Memória Principal Endereços de Memória Memória formada por um conjunto de células (posições), cada uma guarda uma informação. Célula menor unidade endereçável (tamanho padrão usual 8 bits 1 byte). Bytes são agrupados em palavras (palavra de 32 bits tem 4 bytes/palavra). A maioria das instruções de uma máquina opera sobre palavras. Uma máquina de 32 bits deverá ter registradores e instruções para tratar palavras de 32 bits. 21

22 Memória Principal Endereços de Memória Endereço da célula número associado à célula, que permite aos programas referenciá-la. Memória de n células 0 a n 1 endereços Célula de k bits pode armazenar 2 k combinações de bits. 22

23 Memória Principal A capacidade da MP em bits é igual ao produto do nº de células pelo total de bits por célula. T = N x M T = capacidade da memória em bits N = 2 n, n é o número de linhas do barramento de endereços M = número de bits de cada célula 23

24 Exercício: Uma memória principal RAM (MP) tem um espaço máximo de endereçamento de 2K. Cada célula pode armazenar 16 bits. a) Qual o valor total de bits que pode ser armazenado nesta memória? b) Qual o tamanho de cada endereço? 24

25 Exercício 1 Solução a) O valor total de bits que pode ser armazenado nesta memória (T) T = N x M T = 2K x 16 T = 32 Kbits (= 4 KB) b) Tamanho de cada endereço (n) N = 2 n 2 K = 2 n 2 11 = 2 n n = 11 25

26 Memória Secundária Denominada memória secundária, memória auxiliar ou memória de massa. Objetivo: garantir um armazenamento mais permanente à toda a estrutura de dados e programas do usuário - deve possuir maior capacidade que a memória principal. Pode ser constituída por diferentes tipos de dispositivos, alguns diretamente ligados ao sistema para acesso imediato (Ex.: discos rígidos), e outros que podem ser conectados quando desejado (Ex.: CD, DVD, etc.). 26

27 Memória Secundária - Parâmetros Tempo de acesso/ciclo de memória - são, em geral, dispositivos eletromecânicos e não circuitos puramente eletrônicos - possuem tempo de acesso maiores. Tempos de acesso típicos: ordem de 8 a 15 ms (hipotético). Capacidade - varia bastante dependendo do tipo de dispositivo utilizado. Discos rígidos ordem de 1 TB. 27

28 Memória Secundária - Parâmetros Volatilidade - não voláteis. Tecnologia - este parâmetro possui uma variedade imensa de tipos, visto que, para cada dispositivo entre os já mencionados (discos, CD, DVD), há diferentes tecnologias de fabricação. Temporariedade - armazenamento com caráter permanente ou, pelo menos, de longo período de armazenamento. Custo - bastante variado. 28

29 Tipos de Memória em uso nos computadores Memória principal Processador (Cache L1 e Registradores) Memória secundária Cache L2 (separado) 29